Калибровочные бозоны

    Передний край физики микромира быстро смещается на новый уровень − в область физики кварков и лептонов. На современном уровне познания фундаментальными частицами вещества считаются кварки и лептоны. Они имеют полуцелый спин и являются фермионами. Кроме кварков и лептонов существуют частицы с целым значением спина, переносящие взаимодействие между фундаментальными частицами. Эти частицы получили название калибровочных бозонов (таблица 3).

Таблица 3

Объединение взаимодействий

    Одной из важных особенностей физики элементарных частиц на начальном этапе было различие между различными типами взаимодействий. Оказалось, что существует всего четыре типа фундаментальных взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.
    Электромагнитное взаимодействие и сильное взаимодействие можно описать с помощью обмена квантами соответствующих полей − фотонами (γ-квантами) и глюонами. Фотоны и глюоны являются калибровочными бозонами электромагнитного и сильного полей.
    Гипотеза о том, что слабое взаимодействие также обусловлено обменом некоторой заряженной частицей было выдвинута Юкавой еще в тридцатых годах. Завершение эта идея получила в рамках единой теории, связывающей электромагнитные и слабые взаимодействия, развитой в работах С. Вайнберга, А. Салама и Ш. Глэшоу.
    В этой теории, которая носит название "стандартная модель", предсказывается существование тяжелых заряженных бозонов W⁺ и W⁻ и нейтрального бозона Z⁰ со спином 1, обмен которыми и обуславливает слабое взаимодействие. В теории возникает также безмассовое векторное поле, отождествляемое с электромагнитным полем.
    В стандартной модели считается, что частицы приобретают массу в результате механизма Хиггса. Поле Хиггса заполняет все пространство, и все частицы приобретают массу при взаимодействии с ним. Квантами поля Хиггса является бозон Хиггса. Считается, что хиггсовский бозон имеет нулевой спин. Масса его по экспериментальным оценкам должна быть больше 5 ГэВ.
    В этой модели распад нейтрона

n → p + e⁻ + _e

Рис. 17 Диаграмма распада d-кварка

на кварковом уровне выглядит как бы проходящим в два этапа (рис.17). На первом этапе происходит превращение d-кварка в u-кварк и W⁻-бозон

d → u + W⁻

на втором W⁻-бозон распадается, превращаясь в электрон и антинейтрино

W⁻ → e⁻ + _e.

По аналогии с сильным взаимодействием члены одного семейства, порождаемые W⁻ или W⁺-бозоном объединяются в слабые левоспиральные изоспиновые дублеты

и

со слабым изоспином T = 1/2, которым приписываются значения T₃ = +1/2 (_e,u) и T₃ = -1/2 (e,d). У антифермионов проекции слабого изоспина имеют противоположные знаки.
Слабые взаимодействия с изменением заряда (заряженные токи) описываются состояниями и . Они происходят с испусканием или поглощением W ^- или W ⁺-бозонов. Слабые процессы с участием Z⁰-бозона были названы процессами с нейтральными слабыми токами.
    Таким образом в модели Вайнберга - Салама W⁻, W⁺, Z⁰-бозоны и γ-квант являются квантами единого электрослабого поля. Стандартная модель, объединяющая электромагнитное и слабое взаимодействия, предсказывает связь между константами электромагнитного и слабого взаимодействий и соотношение между массами заряженных и нейтральных бозонов:

, ,

где θ_W − угол Вайнберга. Извлеченная из экспериментов величина sin²θ_W = 0.23.
    Обнаружение в 1973 г. слабых нейтральных токов явилось ярким подтверждением правильности стандартной модели, в которой были предсказаны значения масс промежуточных бозонов −
m(Z⁰) = ~90 ГэВ ; m(W^±) = ~80 ГэВ
    Единственный практически реальный способ получения частиц такой массы состоял в том, чтобы сталкивать протонные и антипротонные пучки. Эксперимент был выполнен в 1983 году на pp-коллайдере ЦЕРН

p + → W ^± + X,

p + → Z ⁰ + X,

где X - все другие частицы, образующиеся в результате столкновения протона и антипротона. Бозоны идентифицировались по распадам

W ^+(-)e ^+(-) + _e(_e),

Наблюдаемые в результате реакции заряженные лептоны с большими значениями поперечных импульсов служили доказательством образования бозонов. Полученные экспериментально значения масс бозонов (m^эксп(W ^±) = (81 ± 2) ГэВ, m^эксп(Z⁰) = (93 ± 2) ГэВ) находились в очень хорошем согласии со стандартной теорией. Между открытием нейтральных токов и наблюдением векторных бозонов прошло 10 лет.
    В стандартной модели лептоны и кварки группируются в левоспиральные дублеты - поколения.

1 поколение	2 поколение	3 поколение

Заряженные токи в лептонных процессах получаются при движении по столбцам. Константы этих слабых процессов одинаковы или пока не различимы. Заряженные токи в процессах с кварками возможны не только при движении по столбцам, но и между поколениями, т.е. слабое взаимодействие смешивает кварки. Но слабые константы кварковых процессов

d → u + W⁻ и s → u + W⁻

отличаются друг от друга и от констант лептонных процессов. Казалось, что универсальность слабого взаимодействия нарушается. Однако оказалось, что эти константы можно связать между собой. Это уже в 1963 году было сделано Н. Кабиббо, который для связи констант β-распада и распада странных частиц ввел параметр − угол Кабиббо (рис.18). Универсальность слабого взаимодействия была сохранена. Но открытие нейтральных слабых токов поставило новую проблему − теория Кабиббо в этом случае предсказывает наличие нейтральных токов с изменением странности, что резко противоречит эксперименту. Для выхода из этого затруднения Глэшоу, Илиопулос и Майани ввели 4-ый кварк с тем же зарядом, что и u-кварк .Для четырехкварковой схемы столбцы для кварков записываются следующим образом (Когда Кабибо предложил свою параметризацию кварковой модели еще не было.)

При этом предсказывается, что основными каналами распада очарованных кварков являются каналы c → seν_e и c → sμν_μ, вероятность этих распадов пропорциональна cos²θ_c, и подавлены каналы c → deν_e и c → dμν_μ, вероятность которых пропорциональна sin²θ_c. В 1973 году М. Кобаяши и Т. Маскава обобщили подход Кабиббо на шестикварковую схему. Это минимальная по числу кварков модель, в которой, наряду с тремя углами смешивания θ₁₂, θ₂₃, θ₁₃ можно ввести фазу δ₁₃, описывающую нарушение СР-инвариантности. Смешивание трех поколений кварков описывается матрицей Кабиббо-Кобаяши- Маскавы

где c_ij = cosθ_ij, s_ij = sinθ_ij  элементы матрицы - комбинации синусов и косинусов углов поворота. Например, первый элемент это − произведение cosθ₁₂×cosθ₁₃. Современные оценки углов:
θ₁₂  = ~13⁰, θ₂₃ = ~2⁰, θ₁₃ = ~0.1⁰. Так как cosθ₁₃ отличается от единицы только в шестом знаке после запятой, результаты, полученные в четырехкварковой схеме, сохраняются.
    Для определенных таким образом d', s', b'-кварков константа слабого взаимодействия имеет одинаковое значение для лептонных и кварковых семейств.
    Смешивание поколений кварков стимулировало интерес к проблеме осцилляций и смешивания нейтрино. Существует ли смешивание поколений лептонов?
    До сих пор говорилось об объединении электромагнитных и слабых взаимодействий. Начав с четырех взаимодействий и создав теорию электрослабых взаимодействий, физики свели их число к трем. Нельзя ли сделать следующий шаг, объединив электрослабое взаимодействие с сильным? Сильное взаимодействие проявляется между кварками, а слабое между лептонами и кварками. В результате слабых взаимодействий один тип кварков может превращаться в другой

d → u + e⁻ +_e.

    Слабые взаимодействия приводят к распаду μ и τ-лептонов. Так мюон распадается, превращаясь в электрон и нейтрино и антинейтрино

μ⁻ → ν_μ + e⁻ +_e.

    Модели, в которых рассматривается объединение электрослабого и сильного взаимодействий, называются Великим объединением. В основе Великого объединения лежит гипотеза, что сильное и электрослабое взаимодействия являются низкоэнергетичными компонентами одного и того же калибровочного взаимодействия, описываемого единой константой. Наблюдаемые на опыте константы взаимодействий сильно различаются при энергии ~ 1 ГэВ и зависят от расстояния. Предполагается, что на расстоянии ~ 10^-28 см константы становятся одинаковыми. Согласно простейшей модели Великого объединения, сильное и электрослабое взаимодействия объединяются при энергии ~10¹⁵ ГэВ. В лабораторных условиях вряд ли достижимы такие энергии. Однако есть явление, которое следует из такой объединенной теории. В этой модели протон должен быть нестабильной частицей, правда, с большим временем жизни. Если сильное и электрослабое взаимодействия являются разными проявлениями более общего взаимодействия, то кварки и лептоны должны быть компонентами одного и того же мультиплета. Следовательно, возможны процессы, в которых кварки могут превращаться в лептоны. Это значит, что протон, состоящий из кварков, не может быть абсолютно стабильным, а может распадаться, превращаясь в более легкие частицы. Например, возможны распады

p → π⁰ + e⁺,
p → π⁺ +.

    По оценкам в рамках единой теории сильных и электрослабых взаимодействий время жизни протона ~10³² лет. В настоящее время ведутся интенсивные эксперименты по поиску нестабильности протона.
    Еще одним кандидатом на единую теорию являются суперсимметричные теории. В этих теориях фермионы имеют суперпартнеров, которые должны быть бозонами, а бозоны - суперпартнеров, которые должны быть фермионами. В суперсимметричных теориях постулируется существование операторов , которые переводят бозоны |b> в фермионы |f>

|b> = |f>.

Сопряженные операторы превращают фермионы в бозоны. Оператор оставляет неизменными все квантовые числа частицы, за исключением спина. На поиск суперсимметричных партнеров направлен целый ряд экспериментов на действующих и строящихся коллайдерах.
    Переносчиком гравитационного взаимодействия в квантовой теории гравитации считается  гравитон - безмассовая частица со спином 2. Гравитационное взаимодействие универсально. В нем участвуют все частицы.
    Предпринимаются попытки объединенного описания всех четырех фундаментальных взаимодействий, основанные на концепции суперсимметрии. Подобные схемы называются расширенной супергравитацией. Согласно этим теориям интенсивность гравитационного взаимодействия должна сравниваться с интенсивностью объединенных взаимодействий при энергиях близких к массе Планка

m_p ≈ (ћc/G)^1/2 ≈ 1.2·10¹⁹ ГэВ/c².

Характерные размеры, соответствующие массе Планка ~10^-33 см.